Druckspitzen in hydraulischen Anlagen: Ein Risiko für Sensorik und Anlagen

STS Sensortechnik: Druckspitzen kommen in praktisch allen gas- und flüssigkeitsgefüllten Rohrleitungen vor. Die in nur wenigen Millisekunden auftretenden Drücke können den Überlastdruck eingesetzter Druckmessumformer übersteigen und diese zerstören.

Bemerkt werden Druckspitzen, also kurzzeitig auftretende sehr hohe Drücke, in der Regel erst, wenn der Schaden bereits entstanden ist. Sie sind die Folge von Druckstössen und anderen physikalischen Phänomenen (Kavitation, Mikro-Diesel-Effekt), die überall dort auftreten, wo Flüssigkeiten oder Gase durch Rohre transportiert werden. Allerdings sind Druckspitzen bei Gasen aufgrund deren vergleichsweise hohen Kompressibilität weniger von Bedeutung und nur selten eine Gefahr. Im Zusammenhang mit Wasserleitungen werden oft auch die Begriffe Wasserschlag oder Wasserhammer genutzt. Mit diesen Begriffen ist letztlich eine dynamische Druckänderung der Flüssigkeit gemeint. Wenn beispielsweise ein Ventil schnell geschlossen wird, stoppt der Wasserfluss augenblicklich. Das löst eine Druckwelle aus, die das Medium entgegen der Fliessrichtung mit Schallgeschwindigkeit durchläuft und wieder zurückreflektiert wird. Es kommt binnen Millisekunden zu einem starken Druckanstieg, der Schäden an Drucksensoren und Anlagen verursachen kann (Schäden an Rohrarmaturen und Rohrbefestigungen sowie an Pumpen und deren Fundamenten etc.). Zuerst trifft es in der Regel allerdings die Messgeräte, auf die wir uns im Folgenden konzentrieren. Diese Schäden können sich in Form eines winzigen "Durchschusses" oder Verformungen auf dem Siliziumchip äussern (siehe Abbildungen 1 und 2).

Übersteigt der auf den Druckmessumformer einwirkende Druck den Überlastdruck, erleidet dieser bleibende Schäden. Dabei gibt es zwei mögliche Szenarien: So paradox es klingen mag, ist im Falle einer Druckspitze die völlige Zerstörung des Messinstruments dabei die noch glimpflichste Folge. Denn Anwender bemerken in diesem Fall den Schaden sofort. Wird der Sensor infolge einer Druckspitze lediglich verformt, arbeitet er zwar weiter, liefert allerdings nur noch ungenaue Messwerte. Die finanziellen Folgen sind ungleich höher als bei einem gänzlich zerstörten Sensor.

So lassen sich Schäden durch Druckspitzen vermeiden

Der goldene Weg, um Schäden durch Druckspitzen zu verhindern, ist die Integration von Pulsationsdämpfern bzw. Druckdrosseln. Andere Mittel wie der Einsatz von Ventilen würden hier nicht zum Ziel führen, da sie zu langsam sind, um in Millisekunden auf entstehende Druckspitzen zu reagieren.

Der Sinn einer Drossel ist es, Druckspitzen so abzufedern, dass sie nicht mehr den Überlastdruck des Druckmessumformers überschreiten und diesen nicht mehr beschädigen können. Zu diesem Zweck wird die Drossel in den Druckkanal vor die Sensorzelle platziert. Dadurch treffen Druckspitzen nicht mehr direkt und ungebremst auf die Membran, da sie sich erst an der Drossel vorbeischlängeln müssen:

Aufgrund des sehr guten Schutzes vor Druckspitzen ist der Einsatz von Druckdrosseln die beste Variante. Dennoch ist sie nicht ohne Tücken. Denn besonders in Medien mit Fest- und Schwebstoffanteil kann es durch Verkalkungen und Ablagerungen zu einer Blockierung des Druckkanals kommen. In der Folge kommt es zu einer Verlangsamung des Messsignals. Werden Drosseln also in entsprechenden Anwendungen eingesetzt, sollte hier regelmässig gewartet werden.

Ein ergänzender Schutz vor Druckspitzen kann abweichend zum Standard durch eine höher ausgelegte Überdruckfestigkeit geleistet werden. Ob das ratsam ist, hängt von der jeweiligen Anwendung ab: Sind hohe Genauigkeitswerte gefragt, können diese bei sehr hohen Überduckfestigkeiten im Verhältnis zum Messbereich unter Umständen nicht mehr erzielt werden.